Магнетронды тұндыру жүйесі

Магнетронды тозаңдандыру жүйесінің әсерлесу принципін жазық нысаналы магнетрон үлгісінде қарастырған ыңғайлы (2-сурет). Құрылғының негізгі элементтері болып катод-нысана, анод және магниттік жүйе болып табылады. Магниттік өрістің күш сызықтары магнитті жүйенің полюстары арасында тұйықталады.Магниттік өрістің күш сызықтарының кіру мен шығу орындары арасында орналасқан, нысананың беті қарқынды тозаңданады және геометриясы магниттік жүйенің полюс пішінімен анықталатын, тұйық жол түріне ие. Подложканы бірнеше оңдаған сантиметрге дейінгі арақашықтықтаанодтың үстіне орналастырады.

Нысан мен анод арасындағы тұрақты кернеуді жіберген кезде біртексіз электрлік өріс пайда болады және жұмыс газы әсіресе аргонның арасында қалыпсыз бықсыған разряд қозғалады. Тозаңдандырылған бетте магниттік өрістің болуы нысанада разряд плазмасын шектеуге мүмкіндік береді. Иондық атқылау әсерінен катодтан эмиттелінгенэлектрондар магниттік өріспен алынады, оларға нысана бетіндегі тұйық траекториямен күрделі циклоидті қозғалыс беріледі.Электрондар бір жағынан электрондарды катодқа қайтаратын магниттік өріспен, ал екінші жағынан электронды тебетін нысана бетімен құрылған тұзақта болып қалады.

Нәтижесінде электрон электрлік өрістен алған энергиясын жоғалтатын, жұмыс газының атомдарымен иондалған соқтығыс болғаншаэлектрондар осы тұзақта айналып жүреді. Сонымен, электрон энергиясының көп бөлігі ионизацияға қолданылады, ол соңғысының эффективтілігін арттырады және нысана бетінде оң иондардың концентрациясының өсуіне алып келеді.

Сурет 13. Жазық нысаналы магнетронды тозаңдату жүйесінің сызбасы.

1 — катод-нысана; 2 — магниттік жүйе; 3 —қуат көзі; 4 —анод; 5 —электронның қозғалыс траекториясы; 6 —тозаңдану аймағы; 7 —магниттік өрістің күш сызығы.

Иондық атқылаудың қарқындылығы өседі және өз кезегінде, нысананың тозаңдану жылдамдығы мен қабықшаның өсу жылдамдығы айтарлықтай өседі (2,3 кесте). Магниттік тозаңдану жүйесінің маңызды қасиеті, магниттік тұзақта қалған жоғары энергетикалық екінші электрондармен негізгі қабықшаны атқылаудың болмауы болып табылады.Бұл сәйкесінше негізгі қабықшаны қыздырудың төмен температурасын қамтамасыз етеді (2,3 кесте) және төмен қызуға шыдамды (полимерлар, оргшыны, қағаздар және пластиктар) материалдан жасалған негізгі қабықшағакелтіругемагнетронды жүйелерді қолдануға мүмкіндік береді.

Разрядты аралық аймағы. Магнитті тозаңдану жүйесінің құрылымын үйлестіру үшін және қажетті қасиеттері бар қабықша материалдарын алу үшінразряд аймағында болатын физикалық процесстерді түсіну өте маңызды.Бірақ қазіргі уақытта разряд теориясын өңдеу аяқталмаған және жүйедегі біртексіз тоғысқан электрлік және магниттік өрістің бар болуымен және разряд параметрінің өзара тәуелділігімен байланысқан қиындықтар қатарына ие.

Магниттік тозаңдану жүйесінің разрядының маңызды қасиеттері- геометрия мен магниттік өрістің шамасы, жұмыстық қысым мен разрядтың вольтамперлік қасиеті болып табылады. Магниттік тозаңдану жүйесінде [2]тозаңдану процесіне осы параметрлардың әсерін қысқаша қарастырайық.

Жалпы жағдайда тоғысқан электромагниттік өрістердің магниттің өріс индукциясының шамасына тәуелді үш түрлі разрядын байқауға болады: потенциалдың катодты құлау аймағымен разряд(ин­дукция0.01- 0.03 Тлдейін),потенциалдың анодты құлау аймағымен разряд (жеткілікті күшті магниттік өрісте (> 0.1 Тл)) және екі аймақтың бірдей болуымен разряд (~ 0.1 Тл). Разрядтың соңғы түрі магниттік тозаңдану жүйесі үшін сипатты, әдетте салыстырмалы төмен қысымда(10^-2-10^-1 Па) және магниттік өріс аймағында 0.03-0.1 Тл жұмыс істеген жағдайда және онда көлемді зарядтар мен потенциалдың катодты және анодты құлауының жіңішке аймағы бар. Мұндай разряд нысана бетінде ток тығыздығының біркелкі таралуын қамтамасыз еткендіктен, материалды тозаңдату үшін өте эффективті болып табылады.

Магниттік тозаңдану жүйесінің разрядты аралығында зарядты бөлшектердің қозғалысын қарастырайық. Магниттік өрістің көрсетілген аймағы үшін (0.03 - 0.1 Тл) электрлік өрістің жоғары кернеулігі сәйкес, сондықтан бөлшектер қозғалысының қасиетінің бағасы (Е/р> 10⁵ В/(м*Па), мұндағыЕ — электрлік өрістің кернеулігі, р – газдың қысымы) магнетронды бағыталған жүйедегі плазмада иондар мен электрондардың қозғалысын санауға мүмкіндік береді.

Иондар мен электрондардың r _l, ларморлырадиусының бағасын мына формуламен есептеуге болады [3]

мұндағыm – бөлшектің массасы; - магниттік өрістің күш сызықтарының перпендикулярлы бағыттағы жылдамдық құраушысы; е- элек­тронның заряды;Z,-бөлшек зарядының еселігі; B- магниттік өріс индукциясы.

Электрондарға қарағанда, r_лиондар үшін екі дәрежеге жоғары екенін баға көрсетеді және магниттік өріс иондардың қозғалыс траекториясына іс жүзінде әсерін тигізбейді, яғнииондар электрлік өріс әсерінде түзусызықтыға жақын траектория бойынша нысаналарға еркін кетеді.

Электрондар магниттік тұзақ аймағында жұмыс газының атомдарымен көптеген соқтығыстарға ұшырай отыра, күрделі траектория бойынша ауысады.

Электрон траекториясының бірінші қозғалуында циклоидқа жақын деп қарастыруға болады. 14-суретте көрсетілгендей, электрон, ені d_к қараңғы катодты кеңістік аймағында үдетіліп, плазма аймағына өтіп, катодтан d_t арақашықтыққа кетеді, және жалпы жағдайдаd_t>d_к.

1 —катод-нысана; 2 —екіншілік электронның траекториясы; 3 —электрон; 4 —плазма; 5 —шарттыанод; 6 —анод; 7 —тозаңдандырылғанатом; 8—ион.

Сурет 14. Магнетронды тозаңдану жүйесінің разрядты аралығының сызбасы.

Егерd_t,d_кшамасы бойынша үлкен d_t≥ d_к, ал қараңғы катодты кеңістіккежақын электрлік өріс жеткілікті біртекті, онда циклоидтың биіктігі екі ларморовский радиусына тең:

d_t=h_c=2mE/eZB²

мұндағыh_c–бастапқы жылдамдықсыз тоғысқан электрлік және магниттік өрістерде электрон қозғалысы кезіндегі циклоид биіктігі. Сонымен қатар электрон жылдамдықпен қозғалады

мұндағы =Е/В — біртекті тоғысқан электрлік және магниттік өрістерде оларға перпендикуляр бағыттағы зарядталған бөлшектің дрейф бір орнындағы жылдамдығы.

Егер d_t»d_k, онда электрон, қараңғы катодты кеңістікте энергияны алып, ларморовский төңірегі бойынша қозғалады және осы жағдайда арақашықтық ларморовский радиусына жақын болады, ал электрон жылдамдығы тең болып қалады

мұндағы U_k, — қараңғы катодты кеңістік аймағында катодтың құлауы, В;m_e — электрон массасы, кг.

d_t = h_c=d_k жағдайы үшін қараңғы катодты кеңістіктің ені мына формуламен анықталады

(3)

мұндағы - қараңғы катодты кеңістік аймағындағы магниттік өріс индукциясы, Тл.

(3) формула бойынша есептелген қараңғы катодты кеңістіктің ені,катодтан эмиттерленген барлық электрондар, газды эффективті түрде иондайтын, плазманың теріс жарқырау аймағына шықпай, қараңғы катодты кеңістік аймағында қозғалатын болғандықтан жоғары ықтималдылықты болып саналады.

Қараңғы катодты кеңістіктің енін Чайлд-Ленгмюр формуласы бойынша иондық токтың тығыздығы арқылы сипаттауға болады [4]:

, (4)

Мұндағы:

m_i– ионның массасы, кг;

j_i–катодтағы иондық токтың тығыздығы, А/м².

Өзінің жолында басқа бөлшектермен соқтығыспайтын электрондар, циклоидта қозғала отыра, катодқа кайтып келеді және екінші рет қармалуы мүмкін. Электронның еркін жүруінің ұзындығы циклоид ұзындығынан айтарлықтай ұзын болғандықтан, қармаудың ықтималдылығы жоғары болу керек. Бірақ плазмадағы толқындық процестер үшін және электрлік пен магниттік өрістің біртексіздігінен жеке электронның қармау ықтималдылығы 0,5 дейін азаяды.

Магниттік тозаңдану жүйесінде қолданылған, әр түрлі материалдар үшін екіншілік электрондар негізгі қабықшаныңқызу температурасы мен орташа жылдамдығы кестеде көрсетілген.(4)

Кесте 4.

Магниттік тозаңдану жүйесінде қолданылған, әр түрлі материалдар үшін екіншілік электрондар негізгі қабықшаның қызу температурасы мен орташа жылдамдығы

Материал	Al	Si	Cu	Ta	Cr	Au	Mo	W
Тұндыру жылдамдығы, нм/с
Негізгі қабықшаның температурасы, ^оС

Магниттік тұзаққа түсетін және катодқа қайтып келмейтін электрондар плазмада анод жаққа ауысып, соқтығысқа ұшырай бастайды. Бірнеше иондалған соқтығыстан кейін электрон энергиясын жоғалтып, анодқа сейілтеді.Электрон энергиясын жоғалтатын аймақ плазманың тіршілік аймағы болып табылады. Магнетронды жүйе разрядында бұл аймақтың шегі шарттыанод деген атауға ие болды.

Егер әрбір соқтығысу кезінде плазмада электрон, шамамен ларморовский радиусына сәйкес, катодтан арақашықтыққа кетсе, онда (1) мен (2) формулаларын қолданып, катодтан шартты анодқа X₀дейінгі арақашықтықты өлшеуге болады (3-сурет). Магнитті тозаңдану жүйесінде, разряд кезінде, аргондағы арақашықтық мынаған тең

(4)

Мұндағы:

U_p-разрядтағы кернеу, В.

(4) формула электронның ларморовский радиусын, магниттік өрістің біртексіздігі мен плазмадағы дрейф кезінде оның энергиясынескермейді. (5)формула ерекше анодты құлау потенциалымен, магниттік тозаңдану жүйесінде шартты анодтың шамалас бағасы ретінде ғана қолданылуы мүмкін.

Потенциалдың ерекше катодты құлауымен разряд кезінде шартты анодтың күйі мына теңдікпен анықталады

Мұндағы:

W_e–электрлік өрістен электронмен алынған энергия, Дж/ион;

W₀-иондаудың бір бөлігі үшін жіберілетін қуат суммасы, Дж/ион; N=W_e/W₀жұмыс газының атомдарымен электрондардың иондалған соқтығысуының саны.

Бірінші жуықтауда W_e=eU_p. Расчет W₀есептеу қиын және әдетте экспериментті мәліметтерді қолданады. Аргон үшін W₀ = 4.8*10^-18 Дж/ион (30 эВ/ион) [4].

Магниттік өрістің біртексіздігін есептеу үшін плазма аймағында индукцияның орта мәнін алу қажет, әдетте тозаңданған бетте жоғары мәнінен 0.6-0.7 тең. Дербес жағдайда циклоид бойынша біртекті электрлік пен магниттік өрістерде электрон қозғалысы кезінде

X₀=2m_eEU_p/W₀B²

Нақты анод катодтан Х₀ кем емес қашықтықта орналасуы қажет, кері жағдайда ол магниттік тұзақтан газды иондайтын және разрядтың эффективтілігі азаятын электрондарды қармап алады.

Технологиялық есептерді шешу үшін, магнетрон анодтары, корпусы мен ауысу құрылымы бар бірлескен анодтары бар сызба таңдалды.Жалпы анодты сызба берілген қосылу сызбасында магнетронның жұмыс режимінің тұрақтылығы жоғарылайды, подложкаға иондардың ағыны төмендейді және жүктеме тізбегінің конфигурациясынан тәуелсіз магнетронның қуат көзінен барлық ток нысана арқылы өтеді, сондықтан барлық өтетін қуат нысана материалының тозаңдануына кетеді. Мұның барлығы өнімге ауыртпашылық түсірмейтін магнетронның ұзақ және тұрақты жұмысын қамтамасыз етеді. Осылай, тұрақты токтың планарлық магнетрондарының изоляцияланған катодтармен қолдануы көпкомпонетті қабықшалар құрамының тұрақтылығын қамтамасыз етті, нысана материалын көп қолдануға мүмкіндік берді.

Магнетронның қуат көзі (14-сурет) тәжірибенің шартына тәуелді әрбір магнетронға қуаттың тәуелсіз берілуін қамтамасыз ететін, төрт тәуелсіз параллель каналдан тұрады.

Әрбір канал тиристорларды, оптотиристорларды, трансформатор мен түзеткіш көпірбасқаратын блоктан тұрады. Қуаттылық каналы жиілігі 100 Гц, амплитудасы 1 кВ-қа дейін болатын кернеудің униполярлы импульстарын қалпына келтіреді және магнетронға берілген қуаттылықты өзгертуге мүмкіндік береді. Қуат көзі тоқ қуатының кенет өсіп кетуінен қорғайтын жылдам әсереткіш автоматты қорғаныспен қапталынған. Осы жағдайда магнетрондар егер тоқ қуаты оператор белгілеген мөлшерден өсіп кеткен жағдайда уақытша тоқсыз қалады.

Сыртқы түрі	1-тиристорларды басқару блогы, 2-оптотиристорлар, 3- трансформатор, 4-диодты мост, 5-катод, 6-анод
14–сурет. Магнетрондардың қуат көзі.

Металдың қоршалған қабаттарының қалыңдығы мен қатынасын жүргізілген қуатты реттеу көмегімен, планарлы магнетронды тозаңдандырудағы нысананың тозаңдану жылдамдығымен өзгертті. Әрбір технологиялық циклде нысананың тозаңдану қуатын тұрақты ұстаған.

Қоршалған компоненттердің қатынасы,қабықшаларды қалыптастыру кезінде әр түрлі магнетрондарда тозаңданған металдың санымен ВЛР-200 көмегімен салмақтық әдіспен бақыланды.Қабықшалардың қалыңдығын анықтау металды тозаңдандыру кезінде алдын ала өлшенген мыстық лентаны өндірді. Лентаны тозаңдандыру процесі аяқталғаннан кейін қайтадан өлшеп және Δm қоршалған металда санын анықтады. Аймақтың металмен қоршалған ауданын және соған қоршалған металдың массасын біле тұра, тозаңдандырылған металдың тығыздығының кестелік мәнін қолданып, келтірілген қабықшаның қалыңдығын есептеді.Екікомпоненті қабықшаларды тозаңдандыру кезінде, компонент қатынасын нысаналарды тозаңдандыру процесіне дейін және кейін өлшеу жолымен анықтады. Тозаңдандыру кезінде нысана массасының өзгеруінің қатынасы тозаңдандырылған металдың атомдық концентрациясы қатынасына тең.

---

Дата добавления: 2015-07-12